國產化架控制動系統(tǒng)設計與產品介紹

葛 永， 賀 成， 張鵬飛， 李增輝

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

徐州地鐵1 號線列車制動系統(tǒng)采用南京海泰公司自主設計研發(fā)的EPBD-1 型架控制動系統(tǒng)，該制動系統(tǒng)具有常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動、保持制動、電空混合制動、載荷補償、防滑控制、空壓機管理、輪徑修正和踏面清掃等功能[2]。系統(tǒng)以故障導向安全為設計原則[3]，具有制動管理靈活、制動響應快、產品集成化程度高、重量輕、安裝便利等特點[4]。

1 制動系統(tǒng)產品

EPBD-1 型架控制動系統(tǒng)主要產品包括供風裝置、制動控制單元、輔助控制裝置和基礎制動裝置等。

1.1 供風裝置

供風裝置是一種為列車制動系統(tǒng)或其他用風產品提供潔凈的壓縮空氣的產品，一般安裝在拖車下。每列配置2 臺供風裝置，采用主輔工作方式，分正常、輔助、強泵風三種工作模式。

徐州地鐵1 號線列車制動系統(tǒng)供風裝置選用的是南京海泰公司的S03T-N0.9A 型螺桿式供風裝置（見圖1），該供風裝置主要由空氣壓縮機、前置過濾系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、 壓力開關箱等模塊組成。

S03T-N0.9A 供風裝置氣路原理圖如圖2所示， 空氣壓縮機系統(tǒng)作用是將吸入的空氣進行壓縮， 前置過濾系統(tǒng)作用是將壓縮空氣中的飽和水蒸氣、油霧及固體雜質濾除，空氣干燥系統(tǒng)作用是再次過濾壓縮空氣中的水分， 壓力開關箱內部件可進行壓力值監(jiān)測， 發(fā)送壓力信號至MVB 列車網絡，MVB 列車網絡根據接收到的壓力值判定空壓機是否需要啟動。

圖1 S03T-N0.9A 供風裝置

圖2 S03T-N0.9A 供風裝置氣路原理圖

1.2 制動控制單元

制動控制單元作為制動系統(tǒng)的關鍵產品， 主要由氣動制動控制模塊和電子制動控制模塊組成。 電子制動控制模塊作為制動系統(tǒng)的“大腦”，具有制動力運算、控制及管理等功能。 氣動制動控制模塊負責將接收到的電子制動控制模塊電氣制動指令轉換成空氣制動指令， 經過空氣制動指令調控后的壓縮空氣作為基礎制動裝置執(zhí)行制動的動力源。 制動系統(tǒng)通過制動控制單元實現其功能。

徐州地鐵1 號線列車制動系統(tǒng)制動控制單元選用的是南京海泰公司的EPBD-1 型制動控制單元（見圖3）。

EPBD-1 型制動控制單元主要由電子制動控制單元（EBCU）、氣動制動控制單元（PBCU）和護箱等組成。 EPBD-1 型制動控制單元的氣路原理 （見圖4）。EBCU 通 過 列 車MVB 網絡、CAN 制動內網和維護以太網進行信息交互，可以根據接收到車輛指令，控制PBCU動作。PBCU 主要由電子稱重閥、EP 氣動閥、緩限氣動閥、連接氣動閥、過濾器、壓力采集模塊和集成氣路板組成。

圖3 EPBD-1 型制動控制單元

圖4 EPBD-1 型制動控制單元氣路原理圖

1.3 輔助控制裝置

在架控制動控制系統(tǒng)中， 輔助控制裝置主要用于進行停放制動控制、 空簧供風控制、 制動供風控制和壓力測試。

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(tǒng)輔助控制裝置采用的是南京海泰公司的ACU-20 輔助控制裝置（見圖5）。 ACU-20輔助控制裝置氣路原理如圖6 所示。

ACU-20 輔助控制裝置主要由輔助控制單元、 護箱、吊架和風缸模塊等組成。 吊架用于輔助控制裝置內各模塊的整體集成與車輛吊裝。護箱用于對輔助控制單元進行防護。 風缸模塊由總風缸、制動風缸和空簧風缸組成， 用于在供風裝置停機時進行壓縮空氣儲存。輔助控制單元主要有減壓閥、塞門、溢流閥、過濾器、雙向閥、制動電磁閥、壓力開關、止回閥、測試插座和集成氣路版組成。

圖5 ACU-20 輔助控制裝置

圖6 ACU-20 輔助控制裝置氣路原理圖

1.4 基礎制動裝置

基礎制動裝置作為制動系統(tǒng)的制動執(zhí)行部件， 是一種能將空氣壓力轉換成摩擦制動力的產品。

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(tǒng)基礎制動裝置采用的是南京海泰公司的TW-PLE-10D 型踏面制動單元（見圖7）和TW-XLE-10X 型踏面制動單元（見圖8），其中TW-PLE-10D 型踏面制動單元為帶停放功能踏面制動單元， 可以實現滿員狀態(tài)下最大坡度40‰的列車停放。

圖7 TW-PLE-10D 型踏面制動單元

圖8 TW-XLE-10X 型踏面制動單元

列車每根軸配置1 臺TWPLE-10D 型踏面制動單元和1 臺TW-XLE-10X 型踏面制動單元， 安裝時以轉向架為單位進行對角分布（見圖9）。 TW-PLE-10D 型踏面制動單元配置的兩根手動緩解拉繩安裝于車輛兩側， 司勤人員在列車任意側均可進行手動停放制動緩解操作。

圖9 踏面制動單元分布示意圖

2 制動系統(tǒng)功能

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(tǒng)采用的網絡結構為高實用性網絡結構（如圖10 所示），該網絡結構由MVB 列車網絡、CAN 制動內網和維護以太網組成。 制動系統(tǒng)通過MVB 列車網絡進行信息采集、 指令接收和故障上傳等。 每三輛車的制動控制單元組成一組CAN 制動內網，每組內網中包括2 套EPBD-10A 制動控制單元和4套EPBD-11A 制動控制單元。 制動控制單元可通過CAN 制動內網實現制動信息傳輸、制動力管理、故障診斷等功能。整列車的制動控制單元通過以太網交換機組成維護以太網，可通過以太網交換機實現制動狀態(tài)傳輸、故障診斷與存儲、程序下載與燒錄等功能。

圖10 高實用性網絡結構示意圖

2.1 常用制動

ATO 自動駕駛模式中，列車在ATC 系統(tǒng)的控制監(jiān)護下進行自動駕駛。當需要進行列車制動時，ATC 將制動力需求數據上傳網絡，經過解析后通過MVB 列車網絡發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據制動力需求進行整車制動力計算和分配。

人工駕駛模式中， 司機操作主司控器手柄進行常用制動級位控制，司控器將制動級位上傳網絡，經過解析后通過MVB 列車網絡發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據制動力需求進行整車制動力計算和分配。

EPBD-10A 制動控制單元將計算出的整車制動力值與從DCU 接收到的每車電制動狀態(tài)信息和電制動力進行核算，將核算后的制動力值平均分配到每個動車。待動車轉向架達到粘著極限后， 把剩余空氣制動力平均分配到每個拖車轉向架。

當列車速度較低時（≤5km/h），電制動作用將越來越小，MVB 列車網絡會發(fā)送電制動淡出信號給EPBD-10A制動控制單元， 經過一定時間的延時處理后，EPBD-10A制動控制單元進行純空氣制動力計算和管理。

2.2 快速制動

當司機將主司控器手柄拉到“快速制動”級位時，列車將以與緊急制動相同的減速度實施電空制動。 但快速制動不同于緊急制動， 快速制動可通過恢復手柄位置至零位進行快速制動緩解， 并且快速制動要求沖擊率≤0.75m/s3。

正常模式下，快速制動的制動模式為電空混合制動。快速制動時列車所需的總制動力由制動控制單元計算和管理，優(yōu)先使用100%的電制動力，當電制動力不足時，進行空氣制動力補償。

緊急牽引模式下，快速制動為純空氣制動， 每組CAN 制動內網中，EPBD-10A 制動控制單元負責將計算后的制動力值平均分配到該單元所在的轉向架上。此時的快速制動通過硬線進行控制。

在ATO 模式下觸發(fā)快速制動，牽引控制單元（DCU）和制動控制單元將忽略來自ATO 的制動力需求，按快速制動率執(zhí)行制動。

2.3 緊急制動

緊急制動由列車的緊急制動環(huán)路失電觸發(fā)，屬于純空氣制動。作為列車運行安全保證中最重要的功能，緊急制動設置于故障安全環(huán)路。緊急制動不受列車沖擊極限限制。

緊急制動采用硬線控制， 在制動控制單元上配置了由列車安全環(huán)路硬線控制的緊急制動部分。 若列車安全環(huán)線斷開，將立即觸發(fā)緊急制動。

不同于快速制動，緊急制動的施加是不可逆的，僅當所有緊急制動觸發(fā)條件都消失， 且列車零速時緊急制動才能被緩解。

2.4 停放制動

停放制動通過基礎制動裝置中的彈簧施加， 當停放回路空氣壓力小于彈簧力時， 基礎制動裝置通過彈簧力施加停放制動。當停放回路中空氣壓力大于彈簧力時，空氣壓力抵消施加的彈簧力，實現基停放制動緩解。

在列車零速狀態(tài)下， 司機可以通過司機室的停放施加/緩解按鈕進行停放制動控制。 停車狀態(tài)下，也可以操作輔助控制單元內的停放隔塞門實現停放制動和施加。此外，當停放回路壓力不足時，停放制動將通過彈簧自動施加。

2.5 保持制動

保持制動是常用制動的一部分， 主要用于防止車輛在坡道上啟動時發(fā)生溜車。

在ATO 模式下， 保持制動施加指令由ATO 發(fā)送給MVB 列車網絡， 保持制動緩解指令由VCU 發(fā)送給MVB列車網絡。 EPBD-10A 制動控制單元接收到保持制動指令后，控制基礎制動裝置進行保持制動施加和緩解。

在緊急牽引模式下， 列車的保持制動施加與緩解由EPBD-10A 制動控制單元控制，將不再接收MVB 列車網絡保持制動施加或緩解指令。

2.6 電空混合制動

列車的制動力分配是按 “列車級” 進行制動力分配的。電空混合制動模式為優(yōu)先采用電制動、空氣制動補償的制動模式。

電空混合制動僅在網絡正常情況下起效， 在發(fā)生網絡故障后，列車進行緊急牽引時，采用純空氣制動進行列車制動。

2.7 載荷補償

制動控制單元實時采集轉向架上空氣彈簧的壓力信號。壓力信號經制動控制單元轉換計算后，將轉換為此轉向架的載荷信號，供載荷補償時使用。

每輛車有4 個空氣彈簧壓力檢測點， 當監(jiān)測到某個空氣彈簧故障（壓力值超出正常范圍）時，進行載荷補償。具體由以下三種載荷補償模式：

（1）當某轉向架的單個空氣彈簧壓力點故障時，以同一轉向架另一個空氣彈簧壓力作為載荷壓力。

（2）當某轉向架的兩個空氣彈簧壓力點全故障時，該轉向架將以本輛車另一個轉向架的空氣彈簧壓力作為載荷壓力。

（3）當某輛車四個空氣彈簧壓力點都故障，載荷壓力默認選取AW3 對應空氣彈簧壓力。

2.8 防滑控制

列車的電制動防滑控制和空氣制動防滑控制是各自獨立完成的，具體實現方式如下：

（1） 當電制動檢測到滑行時發(fā)出電制動防滑信號給制動控制系統(tǒng)， 制動控制系統(tǒng)根據此信號固定當前實際電制動力值。

（2）當電制動防滑信號有效超過2s 時，制動控制系統(tǒng)將發(fā)送電制動切除信號給MVB 列車網絡，網絡轉發(fā)此電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

（3）當制動控制系統(tǒng)檢測到滑行，制動控制系統(tǒng)將在1s 內發(fā)送電制動切除信號給MVB 列車網絡，網絡轉發(fā)電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

（4）當制動控制系統(tǒng)檢測到嚴重滑行，制動控制系統(tǒng)將在0.5s 內發(fā)送電制動切除信號給列車網絡， 網絡轉發(fā)電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

在電制動切除的過程中存在電空混合制動， 以確保車輛沖擊率不大于0.75m/s3。

2.9 空壓機控制

制動控制系統(tǒng)的兩臺供風裝置分為主空壓機和輔空壓機， 其中主輔空壓機由Tc 車的EPBD-10A 制動控制單元指定。 EPBD-10A 制動控制單元根據VCU 發(fā)送的時間信號指定此時的主輔空壓機，并根據EPBD-11A 制動控制單元采集主風缸壓力值判定是否進行空壓機啟動控制。

主輔空壓機控制策略如下：

（1）列車網絡正常模式下，當主風缸的壓力值低于750 kPa 時控制主空壓機啟動； 當主風缸的壓力值達到900 kPa 時，控制主空壓機停止；

（2）列車網絡正常模式下，當主風缸的壓力值低于700 kPa 時，主、輔空壓機同時啟動，當主風缸的壓力值達到900 kPa 時，兩臺空壓機都停止。

（3）當列車網絡故障或在緊急牽引模式下，制動系統(tǒng)默認使用Tc1 車的空壓機為主空壓機，Tc2 車的空壓機為輔空壓機，控制策略同網絡正常模式。

（4）當Tc 車EPBD-10A 故障時，空壓機可通過內置的總風壓力開關通斷來控制啟停， 控制壓力同網絡正常模式。

（5）在司機臺設置有強迫泵風按鈕，任何時候操作此按鈕，本車的空壓機均會啟動。

2.10 輪徑修正

列車網絡在DDU 中設置每車3 軸輪徑為輪徑參考值， 并通過VCU 發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據此輪徑參考值進行防滑控制等。

當列車處于惰行（至少持續(xù)5s，速度大于20km/h）且CAN 制動內網中的制動控制單元沒有檢測到列車滑行時，制動控制系統(tǒng)將進行輪徑校正。

3 結束語

目前，設計的共計23 列的徐州地鐵1 號線制動系統(tǒng)已完成所有試驗并全部交付運營。 該制動系統(tǒng)已運營18月， 系統(tǒng)運行情況良好， 系統(tǒng)性能可以與進口系統(tǒng)相角逐。目前已相繼獲得合肥、常州、杭州、南京、南通、紹興等城市訂單， 對我國城市軌道交通制動產品的健康發(fā)展起到了重要的促進作用。

架控制動系統(tǒng)已經實現自主化， 但部分核心部件仍依賴進口，如高速開關電磁閥、傳感器、電子芯片、高強度緊固件、壓力開關等，導致國產化架控制動控制系統(tǒng)仍然會受到全球貿易環(huán)境及供應鏈安全的影響， 存在一定的隱患， 不利于國產化架控制動系統(tǒng)的長期健康發(fā)展。 因此， 攻關核心部件實現完全自主化是國產化架控制動系統(tǒng)發(fā)展的重要任務， 也是國內城市軌道交通產品的健康發(fā)展的必經之路。